裂隙巖體空氣間隔裝藥數(shù)值模擬研究*

王園園，琚芳芳，康強(qiáng)

(1.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 貴州 貴陽 551400；2.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽 550002)

在巖體力學(xué)理論分析中，絕大部分情況下都是基于完整各向同性巖體的假設(shè)開展研究，但是在實(shí)際工程施工當(dāng)中完整巖體是難以遇見的特殊情況，節(jié)理裂隙巖體是自然巖體的普遍情況。節(jié)理裂隙的存在，導(dǎo)致了自然巖體顯著的各向異性，對(duì)于工程爆破效果有顯著影響。爆破的三種主要爆破作用形式，爆轟波、應(yīng)力波及爆生氣體均受到節(jié)理裂隙構(gòu)造的顯著影響。對(duì)于爆轟波與應(yīng)力波，在節(jié)理裂隙處由于物理上的分隔狀態(tài)，會(huì)受到顯著的隔斷作用的影響，導(dǎo)致節(jié)理裂隙后巖體的破碎效果。對(duì)于爆生氣體，節(jié)理裂隙的存在一方面同樣限制了爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力對(duì)巖體的作用范圍，另一方面裂隙巖體在爆破作用下裂隙貫通，導(dǎo)致了爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力的快速下降，導(dǎo)致爆生氣體作用的下降。

在合適條件下，合理的空氣間隔裝藥形式能夠降低成本并控制爆破效果。節(jié)理裂隙巖體條件下的空氣間隔裝藥爆破，目前相關(guān)研究十分少見，由于涉及巖體不完整性與各向異性以及特殊的裝藥形式，裂隙巖體空氣間隔裝藥將涉及較多的條件影響，在影響因素眾多的條件下能否實(shí)現(xiàn)間隔裝藥以及如何實(shí)現(xiàn)降本增效的目的是一個(gè)有待研究的課題。

1 空氣間隔裝藥原理概述

根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，空氣間隔裝藥條件下，爆破應(yīng)力波對(duì)巖石的作用時(shí)間相比連續(xù)耦合裝藥可以延長(zhǎng)達(dá)5倍的程度。除了該作用以外，在空氣間隔層位于中部的情況下，由于上下裝藥段分別同時(shí)起爆，當(dāng)沖擊波在炮孔中部的間隔區(qū)域相遇時(shí)，由于波的疊加作用，在間隔位置理論上可以產(chǎn)生更強(qiáng)的爆破作用效果。

以往的實(shí)驗(yàn)與理論研究普遍認(rèn)為空氣間隔裝藥能夠有利于改善爆破效果，文獻(xiàn)[1-2]總結(jié)相關(guān)研究并開展理論推導(dǎo)，認(rèn)為空氣間隔裝藥的合理間隔比例在10%～40%，且基于理論推導(dǎo)提出存在一個(gè)最優(yōu)的間隔比例，使空氣間隔裝藥爆破效果達(dá)到峰值，低于或高于該比例間隔爆破效果都會(huì)有所降低。

根據(jù)空氣間隔裝藥的有關(guān)理論，空氣間隔裝藥理論作用的實(shí)現(xiàn)依賴于空氣層的儲(chǔ)能作用[1-3]，因此必然需要以空氣層的穩(wěn)定存在為基礎(chǔ)。如果巖體不完整，巖體中自然存在的節(jié)理裂隙在間隔裝藥位置出現(xiàn)，且在爆破過程中受爆破作用過早貫通擴(kuò)大，將不利于空氣層的穩(wěn)定存在，發(fā)揮儲(chǔ)能作用。因此，本研究主要針對(duì)垂直節(jié)理，在爆破后的一定時(shí)間內(nèi)節(jié)理不會(huì)在間隔位置貫通，對(duì)間隔位置空氣層發(fā)揮作用不產(chǎn)生直接的影響。

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用ANSYS/LS-DYNA模擬軟件，通常采用Lagrangian、Eulerisn、ALE這3種方式對(duì)巖體爆破展開模擬。模擬空氣間隔裝藥，由于模型中存在空氣，在爆破模擬中容易產(chǎn)生過大的畸變導(dǎo)致運(yùn)算過程的中止，因此不適合采用網(wǎng)格變形的Lagrangian算法，而適合采用可以控制網(wǎng)格畸變的Eulerisn、ALE方法[4]。本模擬采用ALE算法，以保證模擬運(yùn)算的運(yùn)行。

2.1 模型及參數(shù)

現(xiàn)實(shí)中的巖體狀態(tài)迥異，巖體不完整、各向異性，理論分析與模擬分析中均需要對(duì)實(shí)際條件進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。該模擬所用模型為單孔爆破，如圖1所示空氣間隔位于裝藥正中部間隔比例20%，即 1.2 m，上下兩端裝藥均為自底部的反向起爆方式[5]，邊坡面簡(jiǎn)化為垂直面。為了提高運(yùn)算效率，采用單位厚度模型，共有單元8.9萬個(gè)，節(jié)點(diǎn)17.9萬個(gè)。圖1中模型前后兩面約束垂向位移模擬對(duì)稱面，AB、BC、CD這3面均施加無反射邊界模擬無限介質(zhì)條件。模擬只針對(duì)垂直節(jié)理，包括閉合節(jié)理與充填節(jié)理，節(jié)理面與巖體間采用面面接觸定義。閉合節(jié)理為貫通閉合節(jié)理，節(jié)理間距分為30，60 cm，且模型設(shè)置為靠近邊坡一側(cè)有節(jié)理，邊坡內(nèi)側(cè)無節(jié)理，兩者形成對(duì)比。充填節(jié)理厚度為 1 mm，間距 40，60，80 cm。

圖1 模型尺寸

該模型的巖石介質(zhì)采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料（簡(jiǎn)稱JHC材料）進(jìn)行模擬，充填節(jié)理介質(zhì)采用塑性動(dòng)力學(xué)材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC定義，炸藥、空氣分別采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*MAT_NULL材料及其各自相關(guān)狀態(tài)方程*EOS_JWL、*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL定義。JHC材料是為混凝土材料的模擬問題而出現(xiàn)的一種模擬材料，由于混凝土與巖石性質(zhì)接近，因此也適用于模擬巖石，常用于巖土爆破等沖擊荷載下的破壞過程，并可以顯示介質(zhì)的壓剪損傷破壞范圍[6-7]。*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料可描述各向同性硬化和隨動(dòng)硬化塑性模型，還可以考慮應(yīng)變率的影響，同樣在巖石爆破中廣泛應(yīng)用于模擬巖石及土壤的爆破。由于模擬的充填節(jié)理與實(shí)際的充填節(jié)理差異較大，參考相關(guān)研究文獻(xiàn)中的土壤模擬參數(shù)[8-10]，空氣材料采用標(biāo)準(zhǔn)密度1.29 kg/m3；炸藥材料參數(shù)為：密度 1300 kg/m3，爆速 4000 m/s，爆壓 5.5 GPa。巖石與節(jié)理材料及炸藥、空氣狀態(tài)方程參數(shù)取值見表1～表4。

表1 JHC材料參數(shù)

表2 MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料參數(shù)

表3 炸藥狀態(tài)方程相關(guān)參數(shù)

表4 空氣狀態(tài)方程相關(guān)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果及分析

圖2為無節(jié)理及上述幾種閉合與充填節(jié)理?xiàng)l件下巖體在750 μs的等效應(yīng)力分布情況，其中閉合節(jié)理為靠近邊坡一側(cè)存在節(jié)理，與無節(jié)理的另一側(cè)形成對(duì)比。對(duì)比圖2可知，在節(jié)理存在的條件下，等效應(yīng)力的作用范圍有顯著變化，顯著小于無節(jié)理的狀態(tài)，且隨著節(jié)理間距的減少，等效應(yīng)力作用范圍進(jìn)一步減小。對(duì)比閉合節(jié)理有無節(jié)理兩側(cè)的等效應(yīng)力作用范圍，節(jié)理影響下范圍顯著下降約1/3～1/2。

圖2 不同條件750 μs時(shí)等效應(yīng)力云圖

為了進(jìn)一步分析節(jié)理的作用，在間隔位置中部法向靠邊坡一側(cè)，選取了從距離孔壁 45～270 cm的共 6個(gè)單元點(diǎn)對(duì)比不同條件下的最大等效應(yīng)力，通過對(duì)比最大等效應(yīng)力的變化值，可以反映在節(jié)理作用下該部分的爆炸應(yīng)力波作用的程度。上述單元點(diǎn)的模擬結(jié)果見表5，最大等效應(yīng)力變化曲線如圖3所示。

表5 不同條件中部法向單元最大等效應(yīng)力/MPa

圖3 不同巖體條件最大等效應(yīng)力變化曲線

由表5及圖3可知，節(jié)理?xiàng)l件下的最大等效應(yīng)力相比無節(jié)理?xiàng)l件顯著降低，且最大等效應(yīng)力降低程度與不完整性直接相關(guān)，節(jié)理間距越小，最大等效應(yīng)力降低程度越大。下降程度最大點(diǎn)出現(xiàn)在充填節(jié)理40 cm間距的270 cm距離單元點(diǎn)處，下降程度達(dá) 42.0%。3種充填節(jié)理?xiàng)l件下，最大等效應(yīng)力顯著呈現(xiàn)隨著節(jié)理間距的變小而變小的規(guī)律。同為60 cm節(jié)理間距條件，閉合節(jié)理?xiàng)l件下的最大等效應(yīng)力要高于充填節(jié)理?xiàng)l件。

從圖3可以看出，部分?jǐn)?shù)據(jù)沒有完全呈現(xiàn)出隨著節(jié)理間距減小而最大等效應(yīng)力降低的現(xiàn)象，反而略有增大。這與應(yīng)力波在節(jié)理面的反射有關(guān)，由于部分節(jié)理間距條件下選取的單元點(diǎn)靠近作為反射面的節(jié)理面，入射應(yīng)力波在單元附近與反射應(yīng)力波疊加，導(dǎo)致最大等效應(yīng)力的增大。結(jié)合等效應(yīng)力云圖與最大等效應(yīng)力的整體變化情況，這種效應(yīng)不影響爆破作用隨節(jié)理間距減小而整體降低的規(guī)律。

3 結(jié)論

（1）節(jié)理的存在對(duì)于爆破作用具有顯著影響，對(duì)比等效應(yīng)力作用范圍，相比無節(jié)理?xiàng)l件，存在節(jié)理的條件下爆破作用范圍下降1/3～1/2；

（2）隨著節(jié)理間距的減小，以及巖體不完整性的提高，巖石爆破最大等效應(yīng)力隨著節(jié)理間距減小呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)，爆破作用受到巖石不完整性的影響顯著；

（3）相同的節(jié)理間距條件，閉合節(jié)理?xiàng)l件下巖體的最大等效應(yīng)力要高于充填節(jié)理，表明閉合節(jié)理對(duì)爆破作用的負(fù)面影響作用要略小一些；

（4）在節(jié)理面附近，入射爆破應(yīng)力波與反射應(yīng)力波疊加，會(huì)導(dǎo)致小范圍內(nèi)最大等效應(yīng)力的提高。